旋杯式静电雾化荷电特性的试验

王军锋，储进静，霍元平，范亚骏

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013)

利用喷雾器喷洒药液是当前防治农作物病虫害使用最广、见效最快的方法.其中离心雾化将液体喷射到一个旋转平面(转盘、旋杯等)上，在离心力的作用下均匀地向四周散布.其喷嘴不易堵塞且雾滴粒径分布均匀，可以通过调节旋转转速和供液流量控制雾滴粒径，达到对不同农作物病虫害的防治，然而离心雾化在应用过程中面临雾化雾滴穿透能力弱、目标物背面药液沉积量少等问题［1］.荷电喷雾技术是指液体经过电晕、感应或者接触荷电后，在机械力或者气动力及电场力的共同作用下产生荷电雾滴，从而形成荷电气雾两相流［2-3］.荷电液滴与目标物表面的反向电荷之间形成一种静电引力，在静电引力的作用下雾滴向靶标表面作定向运动，能够有效地提高雾滴在目标物正反表面的覆盖率和均匀度［4-5］.为了解决离心雾化在实际应用中存在的问题，将荷电喷雾技术应用到离心雾化体系中，提出了一种新型、高效的离心式荷电雾化技术.国外已有一些学者对这种雾化技术进行探索性研究.W.Balachandran等［6］基于波理论，得出荷电与提高转速一样能使旋杯边缘扰动波波长减小，由此解释了随着荷电电压的增加，液丝之间的距离越来越小的试验现象.M.Sato［7］认为荷电能使雾化液滴分布更均匀.为了促进这种雾化技术的高效应用，笔者首先就荷电对旋杯式静电雾化机理及荷电性能的影响进行深入系统研究.基于旋杯式离心雾化技术和静电雾化技术在药液喷洒过程中的优势，设计一种旋杯式静电雾化装置.对雾化液滴的荷电性能进行试验，结合高速数码摄影技术探讨荷电对雾化机理及特性的影响规律.

1 试验装置及方法

针对旋杯式离心雾化，采用感应荷电方式，建立旋杯式静电雾化试验系统，结合高速摄影技术和显微放大图像处理技术，对旋杯式静电雾化机理、雾化特性及雾化液滴的荷电性能进行可视化试验研究.

1.1 试验装置

图1，2分别为旋杯式静电雾化系统及荷电性能试验系统，主要由雾化装置、供液系统及测试系统组成.雾化装置主要由旋杯、电极环、电动机和直流电动机调速器构成.旋杯经转轴、联轴器与电动机连接，其转速可以通过直流电动机调速器控制.供液系统由水箱、微型泵、玻璃转子流量计和管道等组成，试验过程中，液体经管道流入转杯中.泵送介质为自来水.供液流量调节范围为1.6～16.0 L·h-1.

图1中测试系统包括高速数码相机、显微变焦镜头和计算机等.试验中采用高速数码相机配合显微变焦镜头对旋杯边缘雾化过程进行微距拍摄，拍摄光源为LED冷光源，与高速数码相机放置在同一侧.试验以7 500，15 000帧·s-1分别拍摄1 000～4 000 r·min-1和 5 000 ～9 000 r·min-1下旋杯边缘的雾化过程.利用Matlab图像处理技术对高速数码相机拍摄的图片进行处理.图2中测试系统包括量杯、吉时利6485型皮安表和秒表等.试验采用目标网状法测量液滴的荷质比，法拉第筒与旋杯同轴放置，并通过屏蔽导线与皮安表相连.当荷电液滴与铜丝网或法拉第筒接触后会与大地形成回路，并产生微电流，用精密皮安表读出此电流，计算得到荷质比.

图1 旋杯式静电雾化试验台

图2 荷电性能测试试验台

1.2 试验方法

试验中利用玻璃转子流量计控制水的流量，用高压静电发生器控制所加荷电电压.测试过程中确定一段时间内微电流的数值是准确计算荷质比的关键，在不同的荷电电压下，2 min内读取10次电流值，每次试验完毕后充分放电，重复做5次，然后进行平均计算.将量杯放置在法拉第筒尾端，待喷雾稳定后，读取2 min内法拉第筒收集到的水.荷质比为

式中:Q为雾滴的荷电电荷量;I为释放电流强度;t为测量时间;m为雾滴群质量.

为研究荷电对旋杯雾化机理及荷电性能的影响，首先需要选择合理的荷电方式，对于象水这类电导率很高的流体，感应荷电是所有荷电方式(接触荷电、电晕荷电、感应荷电)中常被采用的［8］.试验使用的荷电旋杯如图1所示，旋杯采用绝缘材料制成，其外径为6.0 cm，内径为5.6 cm，电极环直径为5.0 cm.试验中电极环接负高压，转轴(铜管)接地并在旋杯边缘处设置银粉环与转轴导通，可在电极环及银粉环之间形成强电场.

2 试验内容和结果分析

2.1 旋杯式静电雾化荷电性能

喷雾所产生液滴的荷电性能主要取决于电极材料、荷电方式、电极形状及流体的物性.试验采用感应荷电方式，有学者指出为了提高感应荷电的效率，在雾滴的形成时间内流体中的电荷必须得到充分的移动，即流体的荷电弛豫时间τ必须小于雾滴的形成时间tf.水的荷电弛豫时间［9］为

式中:εwater为水的介电常数;εair为空气的介电常数;γwater为水的电导率;γair为空气的电导率.

丝状分裂模式下雾滴形成时间［10］为

式中:n为旋杯转速;r为旋杯半径;L为液丝长度，是旋杯边缘到液丝末端液滴形成处的长度.

由于雾滴的形成时间与旋杯转速成反比，因而选取旋杯转速为7 000 r·min-1时雾滴的平均形成时间，此时tf约为7.4×10-5s，雾滴形成时间比荷电弛豫时间要长很多，因此在所有的试验工况下水都能够充分荷电.

感应荷电液滴所带电荷量的多少与射流自由端(本试验射流自由端为液帽或液丝末端)表面电荷密度呈正比关系.射流自由端表面电荷密度与此处电场及自由端几何形状有关:射流自由端处电场越强，表面电荷密度越高;在相同的静电场中射流自由端曲率越大的地方表面电荷密度也越高［11］.

流量为4 L·h-1，转速由 1 000 r·min-1提高到7 000 r·min-1时荷质比的变化规律如图3a所示，随着转速的提高，荷质比及其增长速率不断增加.结合图3b-d显微放大图片可以看出:转速为1 000 r·min-1时，雾滴的形成模式为滴状分裂，此时旋杯边缘液帽直径较大，形成的液滴粒径也较大，雾化液滴的荷质比较低;随着转速的提高，转速为4 000 r·min-1时，滴状分裂向丝状分裂过渡，此时旋杯边缘液丝直径变小，荷质比及其增长率增加;当转速达到7 000 r·min-1时，雾滴的形成模式基本为丝状分裂模式，此时旋杯边缘液丝直径进一步减小，荷质比及其增长率进一步增加.

图3 转速对荷质比的影响

分析荷质比的影响因素，根据静电场中场强与等位面曲率的关系:

式中:ρs为表面电荷密度;c为常数;ε0为导体介电常数;E为某点处场强;H0为某点处的曲率.

对比不同转速下未荷电时旋杯边缘液帽液丝数，试验结果如图4所示，未荷电时旋杯边缘液帽液丝数与荷电后荷质比增长速率基本呈正比关系，其中荷质比增长速率为荷质比与荷电电压的比值.随着转速的增加，旋杯边缘液帽数逐渐增加，相应的液帽或液丝直径则越来越小，液帽或液丝末端曲率H0越来越大.

图4 荷质比增长率及液帽数与转速的关系

从式(4)可以看出H0的增大使得表面电荷密度ρs随着E的增长率变大，又由于液帽表面电荷密度与雾化液滴的荷质比成正比关系，可以认为H0的增大使得荷质比及其增长率增加，即不同转速下未荷电时旋杯边缘液帽或液丝直径大小决定荷电后荷质比的大小及其增长速率的快慢.

2.2 旋杯式静电雾化机理及特性

2.2.1 荷电对旋杯雾化雾滴粒径的影响

旋杯雾化雾滴的形成机理如图5所示，旋杯式离心雾化液滴的形成是由旋杯边缘凸起的液帽受离心力Fc和表面张力Fs共同作用的结果.

图5 旋杯雾化雾滴的形成机理

当离心力大于表面张力时，液帽的附着状态被破坏，液帽被拉长继而破碎成液滴，因而液滴破碎的临界条件为Fc=Fs［12］.这里Fc= πρrd3n2/6，Fs=πσd，将Fc和Fs代入临界条件中可得

式中:ρ为流体密度;d为雾滴粒径.

不同We下表面张力σ与雾滴粒径平方d2的关系如图6所示.

由图6可以看出:在We＜1.0×105时，σ的减小使得d2有明显的减小;随着We的增大，σ的改变对d2的影响越来越小;当We＞2.0×105时，σ的改变对d2的影响较小.

图6 表面张力与雾滴粒径之间的关系

不同We数下荷电对索特尔平均粒径的影响如图7所示，在We＜1.0×105时，随着荷电电压的增加，雾滴粒径有明显的减小，We=6.4×104时，雾滴粒径减小了近1/5;当We=1.0×105，雾滴粒径稍有减小，此时雾滴粒径减小了近1/10;当We＞2.0×105时荷电电压对雾滴粒径的影响减小.这是由于对于感应荷电的离心式旋杯雾化，在形成液滴的液帽或液丝末端表面会积聚大量的电荷，由于库伦斥力的作用使得此处流体表面张力削弱，因而增加荷电电压可以使得液滴形成处流体的表面张力σ相对减小.结合图6所示表面张力σ对雾滴粒径d2的影响规律，可以得出:在We＜1.0×105时，增加荷电电压使得索特尔平均粒径d有明显的减小;当We＞2.0×105时，增加荷电电压对索特尔平均粒径d的影响较小.

图7 荷电电压与索特尔平均粒径之间的关系

2.2.2 荷电对雾滴分裂模式的影响

当We为4.0×103～6.4×104时，旋杯边缘的分裂模式以滴状分裂为主.通过对高速数码相机拍摄图片的处理，得出荷电电压对滴状分裂模式下旋杯边缘液帽和液丝数的影响(这里液丝是指旋杯边缘射流液柱的长度大于10倍雾滴粒径)如图8所示，随着荷电电压的增加旋杯边缘液帽数呈现先增加后减小的趋势，而图9所示的液丝数则逐渐增加.

图8 荷电电压对液帽数的影响

图9 荷电电压对液丝数的影响

图10 荷电对分裂过程的影响

试验发现此工况下荷电能改变雾滴的形成模式，We为3.6×104时荷电对旋杯雾化过程的影响如图10所示，在1 kV时荷电使得旋杯边缘扰动波波数增加，液帽数也随之增加，而当荷电电压提高到3 kV液帽表面电荷密度达到一定值时，液帽顶端变小，液帽会逐渐拉长并向液丝转变.在流量一定的条件下，由于液帽拉长，液帽附近不会受扰动波的影响而形成新的液帽.因而在达到一定电压后液帽数又会呈现减小的趋势，液丝数不断增加，在液丝不断增加的过程中，液滴的分裂模式即由滴状分裂模式逐渐向丝状分裂模式转变，液滴粒径逐渐减小，分布更加均匀.

荷电对雾滴粒径分布的影响如图11所示.当We大于1.0×105时，雾滴粒径分布如图11a所示，结合图11b显微放大图可以看出:此时雾滴的分裂模式以丝状分裂为主，增加荷电电压对旋杯式离心雾化过程的影响减弱，主要改善了粒径分布的均匀性.这是由于高We数下旋杯边缘流体所受的离心力增大，使得此时离心力在液滴分裂过程中占主导地位，表面张力的削弱对液滴分裂过程的影响不再明显.又由图3可知此时雾化液滴的荷质比得到大幅度提高，液滴的高荷电量有利于维持液滴的单分散性、粒径分布均匀性及沉积分布均匀性.

图11 荷电对雾滴粒径分布的影响

3 结论

1)旋杯式静电雾化雾滴的荷电性能与旋杯边缘液帽或液丝直径大小有关.液帽或液丝直径越小，雾化液滴的荷质比及其增长速率越大.

2)当We＜6.4×104时，滴状分裂模式下，增加荷电电压，旋杯边缘液帽数先增加后减小，在液丝数逐渐增加的过程中，滴状分裂模式逐渐向丝状分裂模式转变.

3)当We＜1.0×105时，荷电电压对雾化液滴的索特尔平均粒径影响较大，增加荷电电压，雾滴索特尔平均粒径明显减小;当We＞1.0×105时，增加荷电电压对索特尔平均粒径及雾化过程的影响减弱，然而此时雾化液滴的高电荷量则有利于维持液滴单分散性、粒径分布均匀性及沉积分布均匀性.

References)

［1］Bayat A，Bozdogan N Y.An air-assisted spinning disc nozzle and its performance on spray deposition and reduction of drift potential［J］.Crop Protection，2005，24(11):951-960.

［2］王贞涛，闻建龙，王晓英，等.高压静电液体雾化技术［J］.高电压技术，2008，34(5):1067-1072.

Wang Zhentao，Wen Jianlong，Wang Xiaoying，et al.High voltage electrostatic spray［J］.High Voltage Engineering，2008，34(5):1067-1072.(in Chinese)

［3］Pilat M J，Jaasund S A，Sparks L E.Collection of aerosol particles by electrostatic droplet spray scrubbers［J］.Environmental Science＆Technology，1974，8(4):360-362.

［4］茹 煜，郑加强，周宏平.风送式静电喷雾技术防治林木病虫害研究与展望［J］.世界林业研究，2005，18(3):38-42.

Ru Yu，Zheng Jiaqiang，Zhou Hongping.Research and outlook on air-assisted electrostatic spraying technique for prevention and control of forest pest［J］.World Forestry Research，2005，18(3):38-42.(in Chinese)

［5］王军锋，姚 江，张宗海，等.外混式双流体雾化器荷电喷雾流场特性［J］.江苏大学学报:自然科学版，2014，35(6):649-655.

Wang Junfeng，Yao Jiang， Zhang Zhonghai，et al.Measurement of charged spray flow field for external mixing twin-fluid nozzle by PIV［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2014，35(6):649-655.(in Chinese)

［6］Balachandran W，Bailey A G.The dispersion of liquids using centrifugal and electrostatic forces［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1984，20(3):682-686.

［7］Sato M.Formation of uniformly sized liquid droplets using spinning disk under applied electrostatic field［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1991，27(2):316-322.

［8］Johnson R K，Anantheswaran R C，Law S E.Electrostatic-enhanced atomization for spray drying of milk［J］.LWT:Food Science and Technology，1996，29(1):71-81.

［9］Jones T B.Electromechanics of Particles［M］.New York:Cambridge University Press，1995.

［10］Kamiya T.An analysis of the ligament-type disintegration of thin liquid film at the edge of a rotating disk［J］.Journal of Chemical Engineering of Japan，1972，5(4):391-396.

［11］单筱攸，李美玲.浅谈导体表面电荷分布与表面曲率的关系［J］.鞍山师范学院学报，2002，4(1):68-70.

Shan Xiaoyou，Li Meiling.Simple explanation of relation between superficial charge distribution and superficial curved rate［J］.Journal of Anshan Normal University，2002，4(1):68-70.(in Chinese)

［12］Liu Junxiang，Yu Qingbo，Guo Qiang.Experimental investigation of liquid disintegration by rotary cups［J］.Chemical Engineering Science，2012，73:44-50.?